Digitálna dátová zbernica CAN (Audi A4 B6)

Vozidlo využíva niekoľko sieťových zberníc na výmenu dát CAN (Controller Area Network) medzi riadiacimi jednotkami (modulmi) rôznych systémov a ovládačmi akčných členov vozidla.

Jednotlivé riadiace jednotky sú navzájom prepojené v spoločnej sieti a môžu si vymieňať dáta.

Autobus je obojsmerný, t.j. Akékoľvek zariadenie, ktoré je k nemu pripojené, môže prijímať a odosielať správy.

Signál z citlivého prvku (snímača) je odoslaný do najbližšej riadiacej jednotky, ktorá ho spracuje a odošle na dátovú zbernicu CAN.

Akákoľvek riadiaca jednotka pripojená na dátovú zbernicu CAN dokáže prečítať tento signál, vypočítať na základe neho hodnotu riadiacej akcie a ovládať servopohon.

Výmena dát cez zbernicu CAN

• B – Senzor 1
• CAN - Dátová zbernica
• M - Výkonné prvky I-III (servomechanizmy)
• N – Riadiace jednotky (ovládače) I-V

Výhody

Pri klasickom káblovom prepojení elektrických a elektronických zariadení je vytvorené priame spojenie medzi každou riadiacou jednotkou a všetkými snímačmi a akčnými členmi, z ktorých prijíma výsledky meraní alebo ktoré riadi.



Komplikácia riadiaceho systému vedie k nadmernej dĺžke alebo počtu káblových vedení.

V porovnaní so štandardnou kabelážou poskytuje dátová zbernica:

• Zníženie počtu káblov. Vodiče od snímačov sú predĺžené len k najbližšej riadiacej jednotke, ktorá namerané hodnoty prevedie na dátový paket a odošle ho na zbernicu CAN.
• Pohon môže byť riadený akoukoľvek riadiacou jednotkou, ktorá prijíma príslušný dátový paket cez CAN zbernicu a na základe neho vypočíta hodnotu riadiacej akcie na servomechanizme.
• Zlepšenie elektromagnetickej kompatibility.
• Zníženie počtu konektorov a zníženie počtu kontaktných svoriek na riadiacich jednotkách.
• Chudnutie.
• Zníženie počtu snímačov, pretože signály z jedného snímača (napríklad zo snímača teploty chladiacej kvapaliny) môžu byť použité rôznymi systémami.
• Zlepšenie diagnostických schopností. Pretože signály z jedného snímača (napríklad signál rýchlosti) sú používané rôznymi systémami, potom ak pomocou tohto signálu vygenerujú poruchové hlásenie všetky systémy, chybný je zvyčajne snímač alebo riadiaca jednotka, ktorá spracováva jeho signály. Ak chybové hlásenie pochádza len z jedného systému, hoci tento signál využívajú aj iné systémy, príčina poruchy je najčastejšie v riadiacej jednotke spracovania alebo v servomechanizme.
• Vysoká rýchlosť prenosu dát - až 1 Mbit/s je možná pri maximálnej dĺžke linky 40 m V súčasnosti je rýchlosť prenosu dát na aute od 83 Kbit/s do 500 Kbit/s.
• Cez tú istú linku je možné postupne prenášať niekoľko správ.

Dátovú zbernicu CAN tvorí dvojžilový kábel vyrobený vo forme krútenej dvojlinky. Všetky zariadenia sú pripojené k tejto linke (riadiace jednotky zariadenia).



Prenos dát prebieha duplicitne na oboch vodičoch a logické úrovne dátovej zbernice majú zrkadlový obraz (to znamená, že ak sa úroveň logickej nuly prenáša po jednom vodiči, potom sa logická úroveň prenáša pozdĺž druhého vodiča a naopak).

Schéma dvojvodičového prenosu sa používa z dvoch dôvodov: na zistenie chýb a ako základ spoľahlivosti.

Ak sa napäťová špička vyskytne len na jednom vodiči (napríklad v dôsledku problémov s EMC (elektromagnetická kompatibilita)), potom to môžu prijímacie jednotky identifikovať ako chybu a ignorovať túto napäťovú špičku.

Ak dôjde ku skratu alebo prerušeniu v jednom z dvoch vodičov dátovej zbernice CAN, potom vďaka integrovanému systému spoľahlivosti softvéru a hardvéru dôjde k prepnutiu do režimu prevádzky s jedným vodičom. Poškodené prenosové vedenie sa nebude používať.

Poradie a formát údajov prenášaných a prijímaných používateľmi (predplatiteľov) správy sú definované v protokole výmeny údajov.

Podstatným rozlišovacím znakom dátovej zbernice CAN v porovnaní s inými zbernicovými systémami založenými na princípe adresovania účastníka je adresovanie súvisiace so správou.

To znamená, že každej správe na dátovej zbernici CAN je priradená vlastná trvalá adresa (identifikátor), označenie obsahu tejto správy (napr.: teplota chladiacej kvapaliny). Protokol dátovej zbernice CAN umožňuje prenos až 2048 rôznych správ, pričom adresy 3 až 2048 sú trvalo priradené.

Objem dát v jednej správe na dátovej zbernici CAN je 8 bajtov.

Blok prijímača spracováva iba tieto správy (dátové pakety), ktoré sú uložené v jeho zozname prijatých správ CAN cez dátovú zbernicu (kontrola prijateľnosti).



Dátové pakety je možné prenášať len vtedy, ak je dátová zbernica CAN voľná (t.j. ak po poslednom dátovom pakete bol 3-bitový interval a žiadna z riadiacich jednotiek nezačne vysielať správu).

V tomto prípade musí byť logická úroveň dátovej zbernice recesívna (logická "1").

Ak viaceré riadiace jednotky začnú vysielať správy súčasne, vstúpi do platnosti princíp priority, podľa ktorého sa správa dátovej zbernice CAN s najvyššou prioritou prenesie ako prvá bez straty času alebo bitov (arbitráž žiadostí o prístup k zdieľanej dátovej zbernici).

Každá riadiaca jednotka, ktorá stratí rozhodovacie právo, sa automaticky prepne na príjem a pokúsi sa znova odoslať svoju správu, len čo sa dátová zbernica CAN opäť uvoľní.

Okrem dátových paketov existuje na dátovej zbernici CAN aj požiadavkový paket pre konkrétnu správu.

V tomto prípade riadiaca jednotka, ktorá môže poskytnúť požadovaný dátový paket, odpovie na túto požiadavku.

Formát dátového paketu

V normálnom režime prenosu majú dátové pakety nasledujúce blokové konfigurácie (rámce):

• Data Frame (rámec správy) na prenos správ cez dátovú zbernicu CAN (napr.: teplota chladiacej kvapaliny).
• Remote Frame (rám žiadosti) vyžiadať si správy cez dátovú zbernicu CAN od inej riadiacej jednotky.
• Error Frame (chybový rámec) všetky pripojené riadiace jednotky sú upozornené, že sa vyskytla chyba a posledná správa na dátovej zbernici CAN je neplatná.

Protokol dátovej zbernice CAN podporuje dva rôzne formáty rámca správ dátovej zbernice CAN, ktoré sa líšia iba dĺžkou identifikátora:

• štandardný formát;
• rozšírený formát.

V súčasnosti sa používa štandardný formát.

Dátový paket na prenos správ cez dátovú zbernicu CAN pozostáva zo siedmich po sebe nasledujúcich polí:

• Start of Frame (štart bit): Označí začiatok správy a synchronizuje všetky moduly.
• Arbitration Field (identifikátor a žiadosť): Toto pole pozostáva z 11-bitového identifikátora (adresy) a 1 riadiaceho bitu (Remote Transmission Request-Bit). Tento riadiaci bit označuje paket ako dátový rámec (rámec správy) alebo ako vzdialený rám (rám žiadosti) bez dátových bajtov.
• Control Field (ovládacie bity): Riadiace pole (6 bitov) obsahuje bit IDE (Identifier Extension Bit) na rozpoznanie štandardného a rozšíreného formátu, rezervný bit pre následné rozšírenia a - v posledných 4 bitoch - počet bajtov dát obsiahnutých v dátovom poli (dátové pole).
• Data Field (údaje): Dátové pole môže obsahovať 0 až 8 bajtov údajov. Na synchronizáciu distribuovaných procesov sa používa 0-bajtová správa dátovej zbernice CAN.
• CRC Field (kontrolné pole): CRC pole (Cyclic-Redundancy-Check Field) obsahuje 16 bitov a slúži na kontrolné rozpoznávanie chýb pri prenose.
• ACK Field (potvrdenie o prijatí): pole ACK (Acknowledgement Field) obsahuje signál potvrdzujúci prijatie všetkých prijímacích jednotiek, ktoré prijali správu cez zbernicu CAN bez chýb.
• End of Frame (koniec rámu): Označuje koniec dátového paketu.
• Intermission (interval): Interval medzi dvoma dátovými paketmi. Interval musí byť aspoň 3 bity. Potom môže ľubovoľná riadiaca jednotka preniesť ďalší dátový paket.
• IDLE (kľudový režim): Ak žiadna riadiaca jednotka nevysiela správy, zbernica CAN zostane v nečinnom režime, kým sa neprenesie ďalší dátový paket.

Priority

Na spracovanie údajov v reálnom čase musí byť možné ich rýchlo prenášať.

To si vyžaduje nielen vysokú fyzickú rýchlosť prenosu dát, ale vyžaduje si to aj rýchly prístup k spoločnej zbernici CAN, ak viaceré riadiace jednotky potrebujú prenášať správy súčasne.

Aby bolo možné rozlíšiť správy prenášané cez dátovú zbernicu CAN podľa stupňa ich naliehavosti, sú pre jednotlivé správy poskytnuté rôzne priority.

Napríklad časovanie zapaľovania má najvyššiu prioritu, hodnoty sklzu majú priemernú prioritu a teplota vonkajšieho vzduchu má najnižšiu prioritu.

Priorita, s ktorou sa správa prenáša cez zbernicu CAN, je určená identifikátorom (adresou) príslušnej správy.

Identifikátor zodpovedajúci menšiemu binárnemu číslu má vyššiu prioritu a naopak.

Protokol dátovej zbernice CAN je založený na dvoch logických stavoch: Bity sú buď "recesívne" (logická "1") alebo "dominantné" (logická "0"). Ak je dominantný bit vysielaný aspoň jedným modulom, potom sú recesívne bity prenášané inými modulmi prepísané.

Príklad

Ak niekoľko riadiacich jednotiek súčasne začne vysielať dáta, konflikt prístupu k spoločnej dátovej zbernici sa vyrieši "bitovou arbitrážou spoločných požiadaviek na zdroje" pomocou zodpovedajúcich identifikátorov.



Vysielacia jednotka pri vysielaní poľa identifikátorov po každom bite kontroluje, či má ešte vysielacie právo, alebo či už iná riadiaca jednotka cez dátovú zbernicu CAN vysiela správu s vyššou prioritou.

Ak je recesívny bit vysielaný prvým blokom vysielača prepísaný dominantným bitom iného bloku vysielača, potom prvý blok vysielača stratí právo vysielať (arbitráž) a stáva sa prijímacím blokom.

Prvý riadiaci blok (NI) stráca rozhodovanie z bitu 3.

Tretí riadiaci blok (N III) stráca rozhodovanie od 7. bitu.

Druhá riadiaca jednotka (N II) si ponecháva prístupové práva k dátovej zbernici CAN a môže prenášať jej správu.

Ostatné riadiace jednotky sa pokúsia preniesť svoje správy cez dátovú zbernicu CAN až vtedy, keď bude opäť voľná. V tomto prípade bude právo prenosu opäť udelené v súlade s prioritou správy na dátovej zbernici CAN.

Rozpoznanie chyby

Rušenie môže spôsobiť chyby pri prenose údajov. Takéto chyby, ktoré sa vyskytnú počas prenosu, musia byť rozpoznané a opravené. Protokol dátovej zbernice CAN rozlišuje dve úrovne rozpoznávania chýb:

• mechanizmy na úrovni dátového rámca (rámec správy);
• mechanizmy na bitovej úrovni.

Mechanizmy na úrovni dátového rámca

Cyclic-Redundancy-Check:

Vysielacia jednotka na základe správy prenášanej cez dátovú zbernicu CAN vypočíta riadiace bity, ktoré sú prenášané spolu s dátovým paketom v poli "CRC Field" (kontrolné súčty). Prijímacia jednotka prepočítava tieto riadiace bity na základe správy prijatej cez dátovú zbernicu CAN a porovnáva ich s riadiacimi bitmi prijatými s touto správou.

Frame Check:

Tento mechanizmus kontroluje štruktúru prenášaného bloku (rámca), to znamená, že sa znova kontrolujú bitové polia s daným pevným formátom a dĺžkou rámca.

Chyby zistené funkciou Frame Check sú označené ako chyby formátu.

Mechanizmy na bitovej úrovni

Monitorovanie:

Každý modul sleduje logickú úroveň dátovej zbernice CAN pri prenose správy a určuje rozdiely medzi prenášanými a prijímanými bitmi. To zaisťuje spoľahlivé rozpoznanie globálnych a lokálnych bitových chýb vyskytujúcich sa v jednotke vysielača.

Bit Stuffing:

V každom dátovom pakete medzi poľom "Start of Frame" a koniec poľa "CRC Field" nesmie mať viac ako 5 po sebe idúcich bitov s rovnakou polaritou.

Po každej sekvencii 5 identických bitov pridá blokový vysielač k bitovému toku jeden bit s opačnou polaritou.

Prijímacie jednotky vymažú tieto bity po prijatí správy na dátovej zbernici CAN.

Riešenie problémov

Ak niektorý modul dátovej zbernice CAN zistí chybu, preruší aktuálny proces prenosu dát odoslaním chybového hlásenia. Chybové hlásenie pozostáva zo 6 dominantných bitov.

Vďaka chybovému hláseniu sú všetky riadiace jednotky pripojené na dátovú zbernicu CAN upovedomené o lokálnej chybe, ktorá sa vyskytla a podľa toho ignorujú predtým vyslanú správu.

Po krátkej pauze budú môcť všetky riadiace jednotky opäť prenášať správy cez dátovú zbernicu CAN, pričom správa s najvyššou prioritou bude opäť odoslaná ako prvá.

Riadiaca jednotka, ktorej správa dátovej zbernice CAN spôsobila chybu, tiež začne znova vysielať svoju správu (funkcia automatického opakovania požiadavky).

Typy zbernice CAN

Pre rôzne oblasti riadenia sa používajú rôzne zbernice CAN. Líšia sa od seba rýchlosťou prenosu dát.

Prenosová rýchlosť dátovej zbernice CAN v oblasti "motor a podvozok" (CAN-C) je 125 kbit/s, pričom dátová zbernica CAN "Interiér" (CAN-B) je z dôvodu menšieho počtu obzvlášť urgentných správ dimenzovaná na rýchlosť prenosu dát iba 83 kbit/s.

Výmena dát medzi dvoma zbernicovými systémami sa uskutočňuje prostredníctvom takzvaných "internetwork gateways", t.j. riadiace jednotky pripojené na obe dátové zbernice.

D2B optická zbernica (Digital Daten-Bus) údaje použité v oblasti "Audio/Komunikácia/Navigácia". Kábel z optických vlákien môže prenášať podstatne viac informácií ako zbernica medených káblov.

Pôvodná publikácia v plnom rozsahu je uverejnená na webovej stránke AudiManual